KR20150027874A - Method for preparing levulinic acid using solid acid catalyst under biomass-derived ethylene glycol-based solvent - Google Patents

Method for preparing levulinic acid using solid acid catalyst under biomass-derived ethylene glycol-based solvent Download PDF

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Abstract

Provided is a method for producing levulinic acid using a solid acid catalyst under an ethylene glycol-based solvent condition. The levulinic acid of the present invention uses a linear or cyclic ethylene glycol-based compound as a solvent, and the levulinic acid can be produced from fructose at a reaction temperature of 100 to 200°C under a solid acid catalyst. Accordingly, dependence on petroleum can be reduced, and greenhouse gas regulations can be dealt with. Moreover, levulinic acid can be obtained from fructose at a high yield, and a solvent and a catalyst can be effectively separated, collected, and re-used after the reaction is finished.

Description

바이오매스 유래 에틸렌 글리콜계 화합물 용매 하의 고체 산 촉매를 이용한 레블리닉산의 제조방법{METHOD FOR PREPARING LEVULINIC ACID USING SOLID ACID CATALYST UNDER BIOMASS-DERIVED ETHYLENE GLYCOL-BASED SOLVENT}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing levulinic acid using a solid acid catalyst in an ethylene glycol-based compound solvent derived from biomass,

본 발명은 레블리닉산의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오매스 유래의 에틸렌 글리콜계 용매와 고체 산 촉매를 이용하여 프룩토오스로부터 고부가가치의 바이오연료 또는 바이오케미칼의 플랫폼 화합물인 레블리닉산을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing levulinic acid, and more particularly, to a process for producing levulinic acid from leukocyte derived from fructose using ethylene glycol-based solvent derived from biomass and solid acid catalyst, which is a platform compound of biofuel or bio- Nitric acid.

한정된 매장량의 석유자원은 언젠가는 필연적으로 고갈될 수 밖에 없으며, 신흥 개발도상국의 성장에 따른 석유수요의 급증은 시장 수급의 불균형을 유발하며 고유가시대를 초래하고 있다. 더욱이 석유의 무분별한 사용으로 인해 발생하는 비가역적 온실가스는 지구온난화와 같은 심각한 환경문제를 일으키고 있다.Limited oil reserves will inevitably be depleted at some point, and the surge in oil demand due to the growth of emerging economies is creating an imbalance in market supply and demand, leading to an era of high oil prices. Moreover, irreversible greenhouse gases arising from the indiscriminate use of oil are causing serious environmental problems such as global warming.

이미 세계 각국은 재생 및 지속사용이 가능한 바이오매스를 통해 석유자원을 대체하기 위한 많은 노력을 기울이고 있으며, 바이오에탄올, 바이오디젤과 같은 바이오연료와 락틱산, 프로판다이올과 같은 바이오플라스틱 단량체 등을 산업적으로 생산하여 수송용 연료 또는 석유화학물질을 대체하고 있다.Already, countries around the world are making efforts to replace petroleum resources through renewable and sustainable biomass. Biofuels such as bioethanol and biodiesel, and bioplastic monomers such as lactic acid and propanediol, To replace transportation fuels or petrochemicals.

이와 같은 노력의 일환으로, 최근 각광받고 있는 물질이 바이오매스 유래 탄수화물의 탈수화반응으로부터 얻어지는 레브리닉산이다.As a part of such efforts, recently, a substance which is widely known is levulinic acid obtained from a dehydration reaction of a biomass-derived carbohydrate.

레블리닉산은 탈수화 과정에서 6탄당의 경우 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄(5-hydroxymethyl-2-furfural, HMF), 5탄당인 경우 푸르푸랄이 중간체로 생성되어야 하는데, 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄 중간체로의 전환이 가장 용이한 탄수화물 화합물은 5각 고리 구조를 갖는 프룩토오스이다.In the dehydration process, levulinic acid should be produced as 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF) in the case of hexose and as furfural in the case of pentose, The carbohydrate compound that is most readily converted into the loxymethyl-2-furfural intermediate is fructose having a pentagonal ring structure.

미국 DOE 보고서에서 레블리닉산은 “Top Value Added Chemicals from Biomass”로 선정된 플랫폼 화합물의 하나로서 고분자 단량체, 제초제, 의약품, 향신료, 용매, 가소제, 부동액, 연료 첨가제 등과 같은 다양한 화합물로 전환이 가능하다고 [(i) J. J. Bozell, G. R. Petersen, Green Chem. 2010, 12, 539-554; (ii) T. Werpy, G. R. Petersen, Top value added chemicals from biomass volume I - Results of screening for potential candidates from sugars and synthesis gas: U.S. Department of Energy, NREL/TP-510-35523 (2004).] 보고하였으나, 아직 산업적인 대량생산은 이루어지지 못하고 있다.In the US DOE report, Levinic acid is one of the platform compounds selected as "Top Value Added Chemicals from Biomass" and can be converted to various compounds such as polymeric monomers, herbicides, medicines, spices, solvents, plasticizers, antifreeze, fuel additives [(i) JJ Bozell, GR Petersen, Green Chem. 2010, 12, 539-554; (ii) T. Werpy, G. R. Petersen, Top value added chemicals from biomass volume I - Results of screening for potential candidates from sugars and synthesis gas: U.S. Department of Energy, NREL / TP-510-35523 (2004).], But no industrial mass production has yet been achieved.

레블리닉산은 바이오매스 유래 탄수화물이 산성 조건 하에서 탈수화되면서 얻어지는 화합물로서, 일반적으로 1-10%의 무기산이 함유된 수용액 내에 탄수화물을 넣고 가열하여 반응을 진행한다. 이때 무기산으로는 염산 또는 황산이 사용되고 있다.Levulinic acid is a compound obtained by dehydration of biomass-derived carbohydrate under acidic conditions. In general, carbohydrates are added to an aqueous solution containing 1-10% of inorganic acid and heated to proceed the reaction. In this case, hydrochloric acid or sulfuric acid is used as the inorganic acid.

그러나, 균일계 무기산을 촉매로 사용함에 따라 반응 후 용액 내에 잔존하는 산을 제거하기가 어려우며, 다량의 고농도 폐수가 발생하는 등의 공정상에 많은 문제점이 내재되어 있다. 즉 제품 생산 시 다량의 고농도 산 폐액이 생성되어 고농도 산 폐액을 처리하는 것이 공정비의 상당 부분을 차지하는 문제점이 있다.However, it is difficult to remove the acid remaining in the solution after the reaction by using the homogeneous inorganic acid as a catalyst, and many problems are involved in the process such as the generation of a large amount of high concentration wastewater. In other words, there is a problem that a large amount of concentrated acidic liquid waste is produced in the production of a product, and the treatment of the concentrated acidic liquid waste liquid takes up a considerable portion of the process cost.

본 발명의 목적은 바이오매스 유래 프룩토오스를 레블리닉산으로 전환하는 반응에서 바이오매스로부터 생산될 수 있는 용매를 사용함으로써 석유에 대한 의존도를 줄이고, 온실가스 규제에 대응할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다. 또한 프룩토오스로부터 높은 수율로 생성물인 레블닉산을 얻을 수 있고, 반응이 종결된 후, 용매와 촉매를 효율적으로 분리하고 재사용할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다. It is an object of the present invention to provide a method for reducing dependence on petroleum and coping with greenhouse gas regulations by using a solvent that can be produced from biomass in a reaction for converting biomass-derived fructose to levulinic acid will be. Also, it is intended to provide a method which can obtain recombinant product from fructose in high yield and efficiently separate the solvent and the catalyst after the reaction is terminated and reuse.

본 발명의 상기 목적을 달성하기 위하여, 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물(ethylene glycol-based compound)을 용매로 사용하고 고체 산 촉매(solid acid catalyst) 하에서 100 내지 200℃의 반응온도로 프룩토오스로부터 레블리닉산을 제조하는 단계를 포함하는 레블리닉산의 제조방법이 제공된다.In order to achieve the above-mentioned object of the present invention, there is provided a process for producing an ethylene glycol-based compound, which comprises using a linear or cyclic ethylene glycol-based compound as a solvent, There is provided a process for producing levulinic acid comprising the step of producing levulinic acid from os.

상기 선형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 아래 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The linear ethylene glycol compound may be a compound represented by the following structural formula (1).

[구조식 1][Structural formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 구조식 1에서,In the above formula 1,

R1 및 R2가 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2가 각각 독립적으로 C1 내지 C6 알킬기이고,R 1 and R 2 may be the same or different from each other, R 1 and R 2 are each independently a C 1 to C 6 alkyl group,

m이 1 내지 6의 정수 중 어느 하나이다.m is an integer of 1 to 6;

본 발명의 일 실시예에 따르면, 바람직하게는,According to an embodiment of the present invention, preferably,

R1 및 R2가 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2가 각각 독립적으로 메틸기 또는 에틸기이고, m이 1 내지 4의 정수 중 어느 하나일 수 있다.R 1 and R 2 may be the same or different from each other, R 1 and R 2 are each independently a methyl group or an ethyl group, and m is an integer of 1 to 4.

상기 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 아래 구조식 2로 표시되는 화합물일 수 있다.The cyclic ethylene glycol compound may be a compound represented by the following structural formula (2).

[구조식 2][Structural formula 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 구조식 2에서,In the above formula 2,

n은 1 내지 6의 정수 중 어느 하나이다.n is an integer of 1 to 6;

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 바람직하게는,In another embodiment of the present invention, preferably,

n이 1 내지 3의 정수 중 어느 하나일 수 있다.and n is an integer of 1 to 3.

상기 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 바이오매스를 발효(fermentation)시켜 수득된 에탄올로부터 제조된 것일 수 있다.The linear or cyclic ethylene glycol compound may be prepared from ethanol obtained by fermentation of biomass.

상기 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 1,4-다이옥산(1,4-dioxane), 모노에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(monoethylene glycol dimethyl ether), 다이에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(diethylene glycol dimethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(triethylene glycol dimethyl ether), 및 테트라에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.Wherein the linear or cyclic ethylene glycol compound is selected from the group consisting of 1,4-dioxane, monoethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, Triethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene glycol dimethyl ether. These solvents may be used alone or in combination of two or more.

상기 레블리닉산을 제조하는 단계에서, 상기 프룩토오스가 상기 프룩토오스와 물을 포함하는 시럽(syrup)의 형태로 제공되고, 상기 물의 함량이 상기 프룩토오스 100중량부를 기준으로 10 내지 50중량부일 수 있다.Wherein the fructose is provided in the form of a syrup containing the fructose and water and the content of water is 10 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the fructose, Weight portion.

상기 고체 산 촉매는 유기 지지체 또는 무기 지지체 상에 브뢴스테드 산 또는 루이스 산 기능기가 연결된 형태일 수 있다.The solid acid catalyst may be in the form of a Bronsted acid or Lewis acid functional group linked to an organic or inorganic support.

상기 유기 지지체는 폴리스티렌, 폴리아미드 및 폴리에틸렌글리콜 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The organic support may include at least one selected from the group consisting of polystyrene, polyamide and polyethylene glycol.

상기 무기 지지체는 실리카, 알루미나 및 지올라이트 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The inorganic support may include at least one selected from silica, alumina and zeolite.

상기 고체 산 촉매는 바이오매스의 불완전 탄화에 의해 형성된 무정형 탄소(amorphous carbon)에 설폰산기(sulfonic acid group)가 도입된 것일 수 있다.The solid acid catalyst may be one in which a sulfonic acid group is introduced into an amorphous carbon formed by incomplete carbonization of biomass.

상기 반응온도는 보다 바람직하게는 120 내지 180℃일 수 있다.The reaction temperature may be more preferably 120 to 180 ° C.

상기 레블리닉산을 제조하는 단계 후에 상기 용매와 상기 고체 산 촉매를 서로 분리하여 고체 산 촉매를 재사용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.And separating the solvent and the solid acid catalyst from each other after the step of producing levulinic acid to reuse the solid acid catalyst.

본 발명의 레블리닉산의 제조방법은 바이오매스로부터 유래될 수 있는 용매를 사용함으로써 화학산업에서 석유의 의존도를 줄일 수 있고, 온실가스 규제에 대응할 수 있다. 또한, 프룩토오스로부터 생성물인 레블리닉산을 높은 수율로 얻을 수 있고, 반응이 종결된 후, 용매와 촉매를 간단한 여과를 통해 효율적으로 분리하고 재사용할 수 있는 효과가 있다.The process for producing levulinic acid of the present invention can reduce the dependency of petroleum in the chemical industry and can respond to greenhouse gas regulations by using a solvent that can be derived from biomass. In addition, levulinic acid, which is a product from fructose, can be obtained in high yield, and after the reaction is completed, the solvent and the catalyst can be efficiently separated and reused by simple filtration.

도 1은 실시예 5에 따른 레블리닉산 제조과정에서의 HPLC 크로마토그램의 변화를 나타낸 것이다.Fig. 1 shows changes in HPLC chromatograms in the process of preparing levulinic acid according to Example 5. Fig.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.It is to be understood, however, that the following description is not intended to limit the invention to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises ", or" having ", and the like, specify that the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

본 명세서에서 "알킬(alkyl)기"란 별도의 정의가 없는 한, 직쇄형, 분쇄형 또는 환형의 지방족 탄화수소기를 의미한다. 알킬기는 어떠한 이중결합이나 삼중결합을 포함하고 있지 않은 "포화알킬(saturated alkyl)기"일 수 있다.As used herein, unless otherwise defined, the term "alkyl group" means a straight, branched or cyclic aliphatic hydrocarbon group. The alkyl group may be a "saturated alkyl group" which does not contain any double or triple bonds.

알킬기는 적어도 하나의 이중결합 또는 삼중결합을 포함하고 있는 "불포화알킬(unsaturated alkyl)기"일 수도 있다. The alkyl group may be an "unsaturated alkyl group" comprising at least one double bond or triple bond.

알킬기는 C1 내지 C6 알킬기, 바람직하게는 C1 내지 C3 알킬기 일 수도 있다.The alkyl group may be a C1 to C6 alkyl group, preferably a C1 to C3 alkyl group.

예를 들어, C1 내지 C4 알킬기는 알킬쇄에 1 내지 4개의 탄소원자, 즉, 알킬쇄는 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, sec-부틸 및 t-부틸로 이루어진 군에서 선택됨을 나타낸다.For example, the C1 to C4 alkyl groups may have 1 to 4 carbon atoms in the alkyl chain, i.e., the alkyl chain may be optionally substituted with one or more substituents selected from the group consisting of methyl, ethyl, propyl, iso-propyl, n-butyl, Indicating that they are selected from the group.

구체적인 예를 들어 상기 알킬기는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 에테닐기, 프로페닐기, 부테닐기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등을 의미한다.
Specific examples of the alkyl group include a methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, pentyl group, hexyl group, ethenyl group, Butyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, and the like.

본 발명의 레블리닉산의 제조방법은 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매하에서 고체 산 촉매를 사용하고 100 내지 200℃의 반응온도에서 프룩토오스를 탈수화 반응시켜 레블리닉산을 제조할 수 있다.The method for producing levulinic acid according to the present invention can produce levulinic acid by using a solid acid catalyst in a linear or cyclic ethylene glycol compound solvent and dehydroxylating fructose at a reaction temperature of 100 to 200 ° C have.

상기 탈수화 반응에 따른 프룩토오스로부터의 레블리닉산의 제조 메커니즘은 아래의 반응식 1에 나타낸 바와 같다.The mechanism of the production of levulinic acid from fructose according to the dehydration reaction is as shown in the following reaction formula (1).

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00003

Figure pat00003

상기 반응식 1의 중간체 화합물들은 프룩토오스가 레블리닉산으로 전환될 때 가역적 프룩토오스 저장소(reservoir)로서 작용하여 휴민(humin)과 같은 원하지 않는 부산물로 전환되는 프룩토피라노오스(fructopyranose) 경로를 막을 수 있다.The intermediate compounds of Scheme 1 react with the fructopyranose pathway, which acts as a reversible fructose reservoir when fructose is converted to levulinic acid and is converted to undesired byproducts such as humin Can be prevented.

상기 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 이와 같은 중간체 화합물의 안정화에 도움이 되고, 이에 따라 프룩토오스로부터 레블리닉산을 높은 수율로 수득할 수 있도록 한다.The above-mentioned linear or cyclic ethylene glycol-based compound solvent helps to stabilize such an intermediate compound, and thus makes it possible to obtain levulinic acid from fructose in high yield.

상기 탈수화 반응에서, 반응온도는 100 내지 200℃인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 120 내지 180℃일 수 있다.In the dehydration reaction, the reaction temperature is preferably 100 to 200 ° C. More preferably 120 to 180 ° C.

반응온도가 100℃ 이하인 경우 반응속도가 느려져 중간체 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄에서 레블리닉산으로의 전환이 저하되어 수율이 낮아질 수 있고, 반응온도가 200℃ 이상인 경우 부산물 생성이 증가될 수 있다. When the reaction temperature is 100 ° C or lower, the reaction rate is slowed to lower the conversion of the intermediate 5-hydroxymethyl-2-furfural to levulinic acid, thereby lowering the yield. When the reaction temperature is 200 ° C or higher, .

반응시간은 반응온도에 따라 달라질 수 있다. 반응온도가 낮을 때는 반응시간이 길고, 반응온도가 높을 때는 상대적으로 반응시간이 짧다. 구체적으로 반응온도가 150℃인 경우, 반응시간은 0.5 내지 15시간, 바람직하게는 2 내지 10시간 일 수 있다. 반응온도가 150℃ 보다 낮은 경우에는 반응시간은 상대적으로 길어지고, 반응온도가 150℃ 보다 높은 경우에는 반응시간은 상대적으로 짧아질 수 있다.The reaction time may vary depending on the reaction temperature. The reaction time is long when the reaction temperature is low, and the reaction time is relatively short when the reaction temperature is high. Specifically, when the reaction temperature is 150 ° C, the reaction time may be 0.5 to 15 hours, preferably 2 to 10 hours. When the reaction temperature is lower than 150 ° C, the reaction time is relatively long, and when the reaction temperature is higher than 150 ° C, the reaction time can be relatively short.

반응압력은 반응용매의 끓는점 이하 반응온도에서는 상압에서 반응을 진행할 수 있기 때문에 간편하고, 경제적인 장점이 있다. 반응용매의 끓는점 이상 반응온도에서는 증기압에 의해 반응기 내 압력이 증가하기 때문에 가압조건을 견딜 수 있는 반응장치가 요구되나 전술된 바와 같이 반응시간을 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서, 반응압력과 반응온도는 상황에 맞추어 적절하게 조절할 수 있다.The reaction pressure can be easily and economically advantageous because the reaction can proceed at atmospheric pressure at the reaction temperature below the boiling point of the reaction solvent. Since the pressure in the reactor increases due to the vapor pressure at the reaction temperature higher than the boiling point of the reaction solvent, a reaction device capable of withstanding the pressurized condition is required, but the reaction time can be reduced as described above. Therefore, the reaction pressure and the reaction temperature can be appropriately adjusted according to the situation.

상기 선형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 하기 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The linear ethylene glycol-based compound solvent may be a compound represented by the following structural formula (1).

[구조식 1][Structural formula 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 구조식 1에서,In the above formula 1,

R1 및 R2가 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2가 각각 독립적으로 C1 내지 C6 알킬기이고,R 1 and R 2 may be the same or different from each other, R 1 and R 2 are each independently a C 1 to C 6 alkyl group,

m이 1 내지 6의 정수이다.
m is an integer of 1 to 6;

상기 구조식 1과 같이 선형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 단위분자로 반복되고, 말단의 히드록시기는 알킬 에테르 형태로 보호된 분자구조를 가질 수 있다.As shown in the structural formula 1, the linear ethylene glycol compound solvent may be repeated as a unit molecule, and the terminal hydroxyl group may have a molecular structure protected in an alkyl ether form.

에틸렌 글리콜의 반복수(m)는 1 내지 6일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 4일 수 있다. m이 6보다 크면 레블리닉산의 수율이 저하될 수 있고, 반응이 종료된 후 용매의 분리가 어려워 재사용이 불가능할 수 있다.The number of repeating units (m) of ethylene glycol may be 1 to 6, preferably 1 to 4. If m is larger than 6, the yield of levulinic acid may be lowered, and after the reaction is completed, separation of the solvent is difficult and reuse may not be possible.

또한, 알킬기(R1 및 R2)의 탄소수가 많아지면 소수성이 증가하여 프룩토오스와의 상용성이 떨어져 레블리닉산의 수율이 낮아질 수 있다.In addition, when the number of carbon atoms of the alkyl group (R 1 and R 2 ) is increased, the hydrophobicity is increased and the compatibility with fructose is lowered so that the yield of levulinic acid can be lowered.

R1 및 R2는 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1 내지 C6 알킬기인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는, R1 및 R2는 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 메틸기 또는 에틸기일 수 있다.R 1 and R 2 may be the same or different from each other, and R 1 and R 2 are each independently a C 1 to C 6 alkyl group, more preferably, R 1 and R 2 may be the same or different from each other, and R 1 and R 2 each independently may be a methyl group or an ethyl group.

또한, 상기 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 하기 구조식 2로 표시되는 화합물일 수 있다.
The cyclic ethylene glycol compound solvent may be a compound represented by the following structural formula (2).

[구조식 2][Structural formula 2]

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 구조식 2에서,In the above formula 2,

n은 1 내지 6의 정수이다.
n is an integer of 1 to 6;

상기 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 상기 구조식 2와 같이 에틸렌 글리콜이 단위분자로 반복되는 고리형 분자구조일 수 있다.The cyclic ethylene glycol compound solvent may be a cyclic molecular structure in which ethylene glycol is repeated as a unit molecule, as shown in the structural formula (2).

에틸렌 글리콜의 반복수(n)는 1 내지 6인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 내지 3일 수 있다. n이 6이상이면 산 촉매 조건에서 용매로 사용하기에 화학적으로 불안정할 수 있다.The repeating number (n) of ethylene glycol is preferably 1 to 6, more preferably 1 to 3. When n is 6 or more, it may be chemically unstable to be used as a solvent in an acid catalyst condition.

상기 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 바이오매스를 발효(fermentation)시켜 수득된 에탄올로부터 제조할 수 있으며, 에틸렌 글리콜계 화합물 용매 제조의 개략적인 메커니즘은 아래의 반응식 2에 나타낸 바와 같다.The linear or cyclic ethylene glycol-based compound solvent can be prepared from ethanol obtained by fermentation of biomass. The schematic mechanism of the production of the ethylene glycol-based compound solvent is shown in the following reaction formula (2).

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure pat00006
Figure pat00006

이와 같이, 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 산업적으로 생산되고 있는 바이오-에탄올로부터 제조 가능하므로 제조비용을 절감하고 석유 의존도를 감소시킬 수 있다.Thus, since the ethylene glycol-based compound solvent can be produced from industrially produced bio-ethanol, the manufacturing cost can be reduced and the dependence on the oil can be reduced.

상기 선형 또는 고리형의 바이오매스 유래 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 1,4-다이옥산(1,4-dioxane), 모노에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(monoethylene glycol dimethyl ether), 다이에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(diethylene glycol dimethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(triethylene glycol dimethyl ether), 테트라에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether) 등일 수 있다.The linear or cyclic biomass-derived ethylene glycol-based compound solvent may be 1,4-dioxane, monoethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, and the like.

상기 고체 산 촉매는 유기 지지체 또는 무기 지지체 상에 브뢴스테드산 또는 루이스산 기능기가 연결된 형태인 것을 사용할 수 있다.The solid acid catalyst may be one in which a Bronsted acid or a Lewis acid functional group is connected to an organic or inorganic support.

상기 유기 지지체는 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리에틸렌글리콜 등을 포함하는 고분자 지지체일 수 있고, 상기 무기 지지체는 실리카, 알루미나, 지올라이트 등을 포함하는 무기물일 수 있다. The organic support may be a polymeric support including polystyrene, polyamide, polyethylene glycol, etc., and the inorganic support may be an inorganic material including silica, alumina, zeolite, and the like.

이와 같은 지지체 상에 화학적 결합으로 연결된 기능기는 설폰산기, 인산기 등을 포함하는 브뢴스테드산 또는 리간드에 배위된 금속 이온을 포함하는 루이스산일 수 있다.The functional group linked chemically on such a support may be a Lewis acid comprising a Bronsted acid including a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, or the like, or a metal ion coordinated to a ligand.

여기서, 브뢴스테드산이란 브뢴스테드-로우리의 정의에 의한 산으로, 산염기 반응에서 다른 물질에 양성자(H+)를 줄 수 있는 물질을 의미한다. 또한, 루이스산이란 루이스의 정의에 의한 산으로, 산염기 반응에서 전자쌍을 제공받을 수 있는 물질을 의미한다.Here, Bronsted acid is an acid as defined by Bronsted-Lowry, which means a substance capable of giving a proton (H + ) to another substance in an acid base reaction. Also, Lewis acid means an acid according to the definition of Lewis Lewis, which can be provided with an electron pair in an acid base reaction.

또한, 상기 고체 산 촉매는 바이오매스의 불완전 탄화에 따라 형성된 무정형 탄소(amorphous carbon)에 설폰산기가 도입된 것을 사용할 수 있다.In addition, the solid acid catalyst may be prepared by introducing a sulfonic acid group into an amorphous carbon formed by incomplete carbonization of biomass.

상세하게는, 상기 무정형 탄소는 바이오매스를 불완전 탄화시켜 제조할 수 있고, 상기 바이오매스는 목재, 볏짚 등의 목질계 바이오매스를 사용할 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 목질계 바이오매스는 리그닌(lignin) 성분이 10 내지 40wt% 포함된 것을 사용할 수 있다.In detail, the amorphous carbon can be produced by incomplete carbonization of biomass, and the biomass can be woody biomass such as wood, rice straw, but is not limited thereto. Preferably, the woody biomass may contain 10 to 40 wt% of a lignin component.

상기 불완전 탄화는 탈수제를 이용한 화학처리 또는 열처리에 의해 수행될 수 있다. 열처리에 의한 불완전 탄화는 400 내지 600℃에서 열처리하는 것이 바람직하다.The incomplete carbonization can be performed by a chemical treatment or a heat treatment using a dehydrating agent. The incomplete carbonization by the heat treatment is preferably performed at 400 to 600 ° C.

이후, 무정형 탄소에 무수황산(SO3)을 포함한 황산을 가함으로써 설폰산기를 도입할 수 있다. 상기 황산은 무수황산을 15 내지 50wt% 포함하는 것을 사용하는 것이 바람직하다.Thereafter, a sulfonic acid group can be introduced by adding sulfuric acid containing anhydrous sulfuric acid (SO 3 ) to the amorphous carbon. The sulfuric acid preferably contains 15 to 50 wt% of anhydrous sulfuric acid.

이와 같이 제조된 설폰산기가 도입된 무정형 탄소 형태의 고체 산 촉매는 상기 무정형 탄소의 그램당 0.4 내지 0.8 mmol 의 설폰산기가 포함된 것일 수 있다.The amorphous carbon type solid acid catalyst having sulfonate groups thus prepared may contain 0.4 to 0.8 mmol of a sulfonic acid group per gram of the amorphous carbon.

상기 프룩토오스는 물과 프룩토오스를 포함하는 시럽(syrup) 형태로 사용되는 것이 바람직하다.The fructose is preferably used in the form of a syrup containing water and fructose.

이때, 상기 물의 함량은 프룩토오스 100중량부를 기준으로 10 내지 50 중량부인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 30중량부일 수 있다.At this time, the water content is preferably 10 to 50 parts by weight, more preferably 20 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of fructose.

본 발명에 사용되는 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 물과 완전히 섞일 수 있기 때문에 프룩토오스를 분말 형태로 사용할 필요가 없고, 물과 혼합된 형태로 사용할 수 있다. 따라서 별도의 프룩토오스 건조 공정을 필요로 하지 않는다.Since the ethylene glycol-based compound solvent used in the present invention can be completely mixed with water, it is not necessary to use fructose in powder form, and it can be used in a form mixed with water. Therefore, no separate fructose drying process is required.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided to further understand the present invention, and the present invention is not limited by the examples.

[실시예][Example]

실시예Example 1 One

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 고체 산 촉매로서 Amberlyst-15 (300 mg)를 넣고, EG 기반 용매인 monoethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 150℃로 가열하고 7시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 43%의 레블리닉산이 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) in the form of a syrup and Amberlyst-15 as a solid acid catalyst in a 38 mL-thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. (300 mg), and the reaction was carried out using an EG-based solvent, monoethylene glycol dimethyl ether (3 mL). The reaction mixture was heated to 150 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 7 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, 43% of levulinic acid was produced.

실시예Example 2 2

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 고체 산 촉매로서 Amberlyst-15 (300 mg)를 넣고, EG 기반 용매인 diethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 150℃로 가열하고 4시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 62%의 레블리닉산이 생성된 것을 확인하였다. (150 mmol, weight ratio of water: 25%) in the form of a syrup and Amberlyst-15 as a solid acid catalyst in a 38 mL-thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. (300 mg), and the reaction was carried out using an EG-based solvent, diethylene glycol dimethyl ether (3 mL). The reaction mixture was heated to 150 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 4 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, it was confirmed that 62% of levulinic acid was produced.

실시예Example 3 3

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 고체 산 촉매로서 Amberlyst-15 (300 mg)를 넣고, EG 기반 용매인 triethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 150℃로 가열하고 3시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 56%의 레블리닉산이 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) in the form of a syrup and Amberlyst-15 as a solid acid catalyst in a 38 mL-thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. (300 mg), and the reaction was carried out using an EG-based solvent, triethylene glycol dimethyl ether (3 mL). The reaction mixture was heated to 150 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 3 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, it was confirmed that 56% of levulinic acid was produced.

실시예Example 4 4

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 고체 산 촉매로서 Amberlyst-15 (300 mg)를 넣고, EG 기반 용매인 tetraethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 150℃로 가열하고 3시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 51%의 레블리닉산이 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) in the form of a syrup and Amberlyst-15 as a solid acid catalyst in a 38 mL-thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. (300 mg), and the reaction was carried out using an EG-based solvent, tetraethylene glycol dimethyl ether (3 mL). The reaction mixture was heated to 150 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 3 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water, and subjected to HPLC analysis. As a result, 51% of levulinic acid was produced.

실시예Example 5 5

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 고체 산 촉매로서 Amberlyst-15 (300 mg)를 넣고, EG 기반 용매인 1,4-dioxane (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 150℃로 가열하고 3시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 71%의 레블리닉산이 생성된 것을 확인하였다. (150 mmol, weight ratio of water: 25%) in the form of a syrup and Amberlyst-15 as a solid acid catalyst in a 38 mL-thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. (300 mg), and the reaction was carried out using 1,4-dioxane (3 mL) as an EG-based solvent. The reaction mixture was heated to 150 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 3 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, it was confirmed that 71% of levulinic acid was produced.

실시예Example 6 6

고체 산 촉매로 설폰산기가 도입된 무정형 탄소물질을 제조하여 준비하였다.An amorphous carbon material into which a sulfonic acid group was introduced as a solid acid catalyst was prepared and prepared.

상세하게는, 목분 10g을 500ml의 둥근바닥 플라스크에 넣고, [EMIM]Cl 100g을 첨가하였다. 상기 혼합물을 120℃로 가열하고 650 rpm 으로 교반하였다. 균일해진 혼합물을 10℃로 냉각시키고 에탄올을 가하여 침전시켰다. 침전물을 필터링하고 물로 세척한 후 진공조건에서 건조하였다. 이후, 질소 분위기하에서 500℃로 1시간 동안 가열하여 무정형 탄소물질을 제조하였다. Specifically, 10 g of wood flour was placed in a 500 ml round bottom flask, and 100 g of [EMIM] Cl was added. The mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 650 rpm. The homogenous mixture was cooled to < RTI ID = 0.0 > 10 C < / RTI > The precipitate was filtered, washed with water and dried under vacuum. Thereafter, the amorphous carbon material was prepared by heating at 500 DEG C for 1 hour in a nitrogen atmosphere.

상기 무정형 탄소물질은 conc. H2SO4(10%, wt/vol)처리하고 80℃에서 2시간 동안 교반하였다. 이후 냉각 및 필터링하고 뜨거운 물로 세척하고, 1,4-다이옥산으로 속시렛(Soxhilet) 장치에 의하여 추가 세척하고 진공 건조하여 설폰산기가 도입된 무정형 탄소물질을 제조하였다.The amorphous carbon material is conc. H 2 SO 4 (10%, wt / vol) and stirred at 80 ° C for 2 hours. Subsequently, it was cooled, filtered, washed with hot water, further washed with 1,4-dioxane by means of a Soxhilet apparatus and vacuum dried to produce amorphous carbon material with sulfonic acid groups introduced.

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 고체 산 촉매로서 상기 설폰산기가 도입된 바이오매스 유래 무정형 탄소물질 (900 mg)를 넣고, EG 기반 용매인 diethylene glycol dimethyl ether(3 mL)를 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 150℃로 가열하고 10시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 55%의 레블리닉산이 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) in the form of a syrup to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap, The amorphous carbon material (900 mg) derived from the biomass was introduced and the reaction was carried out using an EG-based solvent such as diethylene glycol dimethyl ether (3 mL). The reaction mixture was heated to 150 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 10 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, it was confirmed that 55% of levulinic acid was produced.

실시예Example 7 7

실시예 2에 따라 레블리닉산을 제조한 후, 생성물을 실온으로 냉각하고 Amberlyst-15을 필터링한 후 세척 및 진공 건조하여 Amberlyst-15를 회수하고, diethylene glycol dimethyl ether는 증류하여 분리회수하였다.After preparing levulinic acid according to Example 2, the product was cooled to room temperature, and Amberlyst-15 was filtered, washed and vacuum dried to recover Amberlyst-15, and diethylene glycol dimethyl ether was separated and recovered by distillation.

분리회수한 Amberlyst-15 와 diethylene glycol dimethyl ether를 사용하여 실시예 2와 동일한 방법으로 레블리닉산을 제조하였다. 반응 종결 후 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 61%의 레블리닉산이 생성된 것을 확인하였다.
The separated and recovered Amberlyst-15 and diethylene glycol dimethyl ether were used to prepare levulinic acid in the same manner as in Example 2. After completion of the reaction, the reaction mixture was diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, it was confirmed that 61% of levulinic acid was produced.

비교예Comparative Example 1 One

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 고체 산 촉매로서 Amberlyst-15 (300 mg)를 넣고, EG 기반 용매와 유사한 화학구조를 갖는 1,3-dioxane (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 150℃로 가열하고 3시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 레블리닉산이 거의 생성되지 못하였고, 용매인 1,3-dioxane이 산성 반응조건에서 분해되는 것을 확인하였다.
(150 mmol, weight ratio of water: 25%) in the form of a syrup and Amberlyst-15 as a solid acid catalyst in a 38 mL-thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. (300 mg), and the reaction was carried out using 1,3-dioxane (3 mL) having a chemical structure similar to that of EG-based solvent. The reaction mixture was heated to 150 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 3 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled to room temperature, diluted 100 times with distilled water and analyzed by HPLC. As a result, it was confirmed that 1,3-dioxane as a solvent was decomposed under acidic reaction conditions.

상기 실시예 1 내지 7, 및 비교예 1의 레블리닉산 제조 조건 및 수율을 비교하여 아래의 표 1에 정리하였다.The production conditions and yields of levulinic acid in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 are summarized in Table 1 below.

구분division 용매menstruum 촉매catalyst 반응온도(℃)Reaction temperature (캜) 반응시간(h)Reaction time (h) 레블리닉산 수율(%)Yield of levulinic acid (%) 실시예 1Example 1 monoethylene glycol dimethyl ethermonoethylene glycol dimethyl ether Amberlyst-15Amberlyst-15 150150 77 4343 실시예 2Example 2 diethylene glycol dimethyl etherdiethylene glycol dimethyl ether Amberlyst-15Amberlyst-15 150150 44 6262 실시예 3Example 3 triethylene glycol dimethyl ethertriethylene glycol dimethyl ether Amberlyst-15Amberlyst-15 150150 33 5656 실시예 4Example 4 tetraethylene glycol dimethyl ethertetraethylene glycol dimethyl ether Amberlyst-15Amberlyst-15 150150 33 5151 실시예 5Example 5 1,4-dioxane1,4-dioxane Amberlyst-15Amberlyst-15 150150 33 7171 실시예 6Example 6 diethylene glycol dimethyl etherdiethylene glycol dimethyl ether 설폰기 도입된 무정형 탄소Amorphous carbon introduced with a sulfonic group 150150 1010 5555 실시예 7Example 7 diethylene glycol dimethyl etherdiethylene glycol dimethyl ether Amberlyst-15
(분리 회수)
Amberlyst-15
(Number of separation)
150150 44 6161
비교예 1Comparative Example 1 1,3-dioxane1,3-dioxane Amberlyst-15Amberlyst-15 150150 33 00

상기 표 1에 따르면, 본 발명의 실시예 1 내지 7은 바이오매스 유래 에틸렌 글리콜계 용매를 사용하지 않은 비교예 1과 비교하여 볼 때, 레블리닉산의 수율이 매우 높음을 확인할 수 있다.
According to the above Table 1, Examples 1 to 7 of the present invention show that the yield of levulinic acid is very high as compared with Comparative Example 1 in which an ethylene glycol-based solvent derived from biomass is not used.

시험예Test Example 1:  One: HPLCHPLC (( HighHigh PerformancePerformance LiquidLiquid ChromatographyChromatography ) 분석) analysis

본 발명의 실시예 5에서 반응 중간시점(a)와 반응 종결시점(b)에서의 HPLC 크로마토그램의 변화를 도 1에 나타내었다.The changes in HPLC chromatogram at the reaction intermediate point (a) and the reaction termination point (b) in Example 5 of the present invention are shown in Fig.

도 1에 따르면, 바이오매스 유래 에틸렌 글리콜계 화합물 용매인 1,4-다이옥산(1,4-Dioxnane)을 사용한 경우 반응 중에 다수의 중간체 화합물들이 생성되었다가 사라지는 것을 확인할 수 있었다. 상기 중간체 화합물들은 프룩토오스가 레블리닉산으로 전환될 때 부산물로 전환되는 경로를 막는 역할을 하는 것은 앞서 탈수화 반응 메커니즘의 설명에서 언급한 바와 같다.According to FIG. 1, when 1,4-dioxane, which is an ethylene glycol-based compound solvent derived from biomass, was used, it was confirmed that many intermediate compounds were produced and disappeared during the reaction. The above-mentioned intermediate compounds have the function of blocking the pathway of conversion of fructose to by-product when converted to levulinic acid, as described in the description of the dehydration reaction mechanism.

또한, 반응 종결시점의 HPLC 상에서 authentic 샘플과의 비교를 통해 실시예 5에 따라 제조된 생성물이 레블리닉산인 것을 확인할 수 있었다.
In addition, it was confirmed that the product prepared according to Example 5 was a levulinic acid through comparison with an authentic sample on HPLC at the end of the reaction.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

Claims (14)

선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물(ethylene glycol-based compound)을 용매로 사용하고 고체 산 촉매(solid acid catalyst) 하에서 100 내지 200℃의 반응온도로 프룩토오스로부터 레블리닉산을 제조하는 단계를 포함하는 레블리닉산의 제조방법.The step of preparing levulinic acid from fructose at a reaction temperature of 100 to 200 DEG C under a solid acid catalyst using a linear or cyclic ethylene glycol-based compound as a solvent / RTI > acid. 제1항에 있어서,
상기 선형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 아래 구조식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
[구조식 1]
Figure pat00007

상기 구조식 1에서,
R1 및 R2가 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2가 각각 독립적으로 C1 내지 C6 알킬기이고,
m이 1 내지 6의 정수이다.
The method according to claim 1,
Wherein the linear ethylene glycol compound is a compound represented by the following structural formula (1).
[Structural formula 1]
Figure pat00007

In the above formula 1,
R 1 and R 2 may be the same or different from each other, R 1 and R 2 are each independently a C 1 to C 6 alkyl group,
m is an integer of 1 to 6;
제2항에 있어서,
R1 및 R2가 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2가 각각 독립적으로 메틸기 또는 에틸기이고, m이 1 내지 4의 정수인 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
3. The method of claim 2,
R 1 and R 2 may be the same or different from each other, R 1 and R 2 are each independently a methyl group or an ethyl group, and m is an integer of from 1 to 4. 2. A process for producing levulinic acid,
제1항에 있어서,
상기 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 아래 구조식 2로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
[구조식 2]
Figure pat00008

상기 구조식 2에서,
n은 1 내지 6의 정수이다.
The method according to claim 1,
Wherein the cyclic ethylene glycol compound is a compound represented by the following structural formula (2).
[Structural formula 2]
Figure pat00008

In the above formula 2,
n is an integer of 1 to 6;
제4항에 있어서,
n이 1 내지 3의 정수인 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
5. The method of claim 4,
and n is an integer of 1 to 3. < Desc / Clms Page number 36 >
제1항에 있어서,
상기 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 바이오매스를 발효(fermentation)시켜 수득된 에탄올로부터 제조된 것임을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein said linear or cyclic ethylene glycol compound is prepared from ethanol obtained by fermentation of biomass.
제1항에 있어서,
상기 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 1,4-다이옥산(1,4-dioxane), 모노에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(monoethylene glycol dimethyl ether), 다이에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(diethylene glycol dimethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(triethylene glycol dimethyl ether), 및 테트라에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the linear or cyclic ethylene glycol compound is selected from the group consisting of 1,4-dioxane, monoethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, Wherein the solvent is at least one selected from the group consisting of triethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene glycol dimethyl ether.
제1항에 있어서,
상기 레블리닉산을 제조하는 단계에서, 상기 프룩토오스가 상기 프룩토오스와 물을 포함하는 시럽(syrup)의 형태로 제공되고, 상기 물의 함량이 상기 프룩토오스 100중량부를 기준으로 10 내지 50중량부인 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step of producing levulinic acid, the fructose is provided in the form of a syrup containing the fructose and water, and the content of the water is 10 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of the fructose. By weight, based on the total weight of the polylactic acid.
제1항에 있어서,
상기 고체 산 촉매는 유기 지지체 또는 무기 지지체 상에 브뢴스테드 산 또는 루이스 산 기능기가 연결된 형태인 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solid acid catalyst is in the form of a Bronsted acid or Lewis acid functional group linked to the organic or inorganic support.
제9항에 있어서,
상기 유기 지지체는 폴리스티렌, 폴리아미드 및 폴리에틸렌글리콜 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the organic support comprises at least one selected from the group consisting of polystyrene, polyamide, and polyethylene glycol.
제9항에 있어서,
상기 무기 지지체는 실리카, 알루미나 및 지올라이트 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the inorganic support comprises at least one selected from silica, alumina and zeolite.
제1항에 있어서,
상기 고체 산 촉매는 바이오매스의 불완전 탄화에 의해 형성된 무정형 탄소(amorphous carbon)에 설폰산기(sulfonic acid group)가 도입된 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solid acid catalyst comprises a sulfonic acid group introduced into an amorphous carbon formed by incomplete carbonization of biomass.
제1항에 있어서,
상기 반응온도는 120 내지 180℃인 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction temperature is from 120 to 180 占 폚.
제1항에 있어서,
상기 레블리닉산을 제조하는 단계 후에 상기 용매와 상기 고체 산 촉매를 서로 분리하여 고체 산 촉매를 재사용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 레블리닉산의 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising separating the solvent and the solid acid catalyst from each other after the step of producing levlinic acid to reuse the solid acid catalyst.
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